交流電焊機新型保護裝置產品設計研究

路金星

（北京工業職業技術學院，北京 100042）

0 引言

隨著經濟建設的發展和科學技術的進步，電焊機的應用越來越廣泛。目前在有些企業中，交流電焊機已安裝了保護裝置，起到了安全和節能的作用。但是，在現有技術中，沒有充分考慮電焊機使用環境的復雜性，如電焊機工作電流大、溫升高、雜散磁場大，元器件溫升高等因素。另外，要求焊接回路電阻值較低，而現場實際焊接件因銹蝕等原因造成回路阻值又較高。因此，在實際應用中就反映出引弧打火困難、保護裝置使用壽命短、返修率高、群機應用誤動作多等現象，很難推廣使用。針對以上問題，對交流電焊機二次側保護裝置設計研究出了一種新型保護裝置，能很好地解決引弧難等存在的問題。

1 交流電焊機二次側安裝保護裝置的意義

電焊機安裝保護裝置后，焊接時，焊機電源通電，停焊時，焊機電源斷電，從而保護了焊工的人身安全。另一方面，焊機斷電后，焊機沒有空載損耗，也可節約大量電能。

國際電工委員會（IEC）在《電擊保護》中規定：“人體直接接觸交流電壓不超過25 伏，直流不超過60 伏”。交流電焊機在焊接時二次工作電壓22～24 伏，對人身是比較安全的。當焊接中斷，焊機呈空載狀態時，二次空載電壓立即上升為70～90 伏，大大超過人體安全電壓。

電焊工人經常站立在接地極板上，身體可能隨時接觸到二次電壓的一端，其結果輕則產生麻電現象，重則會造成觸電死亡。國家勞動部監察局組織編寫的《安全工程手冊》 中明確指出：“電焊機一般都應裝設空載自動斷電保護裝置，以便在安全電壓條件下更換焊條和降低空載損耗。凡是在船艙，鍋爐，金屬容器或管道內，金屬結構上登高焊接作業等，則必須裝設焊機空載自動斷電保護裝置。”

交流電焊機二次線圈與一次380 伏線圈屬于電磁耦合的隔離電路形式。二次回路發生人體觸電時，在一次回路中不能反應出不平衡電流，所以，對于二次線圈空載電壓觸電危險使用漏電保護器是保護不了的。因此，交流電焊機二次電路空載電壓存在的觸電危險問題，在低壓回路中就成了人身觸電保安方面的空白點。被電焊機二次電壓電擊死亡的事故屢屢發生。

另一方面，交流電焊機耗電量大，功率因數低，空載耗電量白白浪費，已被列入十大耗能機電產品之一。因為電焊機是電感性負載，空載時要和電源進行能量交換，產生無功功率，占用電源容量。除正常工作耗電外，據現場實測，交流電焊機空載損耗約為總容量的6%～10%，在焊接工作中時常會出現焊接間斷時間，在此間斷時間內焊機是空載運行狀態。一般累計間斷時間比較長，造成一定的空載損耗，這部分電力損耗也不可忽視。經北京市節能中心測試，一臺焊機采用安全節能技術后，約能節約無功功率3.3Kvar，對于交流電焊機多的用戶，經濟效益和社會效益就更加顯著。

交流電焊機采用電力電子技術，既能保證人身安全，又能創造很高的經濟效益。所以，將二次側保護裝置應用在交流電焊機上具有非常重要的意義。

2 新型保護裝置的設計研究方案

電焊機裝配防觸電保護裝置，可起到防觸電作用。一般采用焊機一次側串入關斷元件，產生單一的開機信號，驅動觸頭短接該元件，使焊機正常供電；當焊工停止焊接時，電焊機自動關斷，達到防觸電目的。其研究方案如下：

電源電路由交流降壓變壓器（B1）、二極管（D1-D4）、電容（C1）、電阻（R1）、電容（C2）、三端集成穩壓器（W7812）組成。得到12V 輸出直流電壓，供整機使用。

取樣電路由壓電晶體（YD）、電焊機變壓器（B），諧振電容（C3）和（C4）、磁芯變壓器（B2）、電阻（R3）、電容（C5）組成，得到開機信號。

比較電路由電壓比較器（IC1）、二極管（D5-D6）、電壓并聯正反饋電阻（R5）、電容（C6）、穩壓管（W1）、限流電阻（R6）組成，以防止有串擾信號引起誤動作。

放大電路由集成運算放大器（IC2）、比例電阻（R8-R9）、三極管兩級直接耦合放大電路（BG1-BG2）、基極偏流電阻（R10）、集電極電阻（R11-R12）組成，把開機信號放大。

開機電路由單向可控硅 （TCR）、功放電路（BG3-BG4）、電壓自舉電路（D11-D12）、繼電器（J）、充電電容（C8）、交流接觸器（QC）組成，使電焊機變壓器（B）導通。

關機電路由電抗器（B3）、二極管（D13）、電容（C9）、電阻（R20）、穩壓管（W2）、比例運算放大器（IC3）、充電電容（C10）、繼電器（J）、交流接觸器（QC）組成，當焊工停止焊接操作時，電焊機變壓器（B）斷開電源。

本研究方案的目的是提供一種適應性強、工作可靠、安全耐用、引弧性能好的防觸電保護裝置。

本研究方案的目的是這樣實現的: 焊工輕敲焊鉗，壓電晶體產生的電壓經電焊機的變壓器升壓后，送到磁芯變壓器兩端再次升壓，經過濾波，得到開機信號。此信號與電壓比較器的定值信號進行比較，符合開機信號電壓便輸出電壓，經同相比例運算放大器放大輸出，再經三極管直接耦合放大，觸發單相可控硅導通。再經三極管功放電路進行電流放大，使繼電器導通，常開接點閉合，交流接觸器導通，電焊機通電，此時引弧電壓較高，焊工可以焊接操作。焊接操作后，電抗器感應出交流電壓，經半波整流、濾波、穩壓、集成放大、三極管放大后，輸出電壓到繼電器。當焊工停止焊接操作后，電抗器不能感應出交流電壓，沒有放大信號，繼電器被關斷，常開接點斷開，交流接觸器斷電，電焊機斷電。

采用上述方案后，焊機誤動作少，安全可靠性高；便于引弧，解決了多年來由于引弧難而不能推廣使用保護裝置的難題，提高了焊機二次側防觸電保護裝置的實用性。

3 新型保護裝置主電路工作原理

下面結合圖1 對保護裝置部分電路的工作原理作詳細的描述。

380V 交流電經（B1）降壓后，進入由4 只二極管組成的全波橋式整流電路，再經由（C1）、（R1）、（C2）組成的濾波電路濾波，送到三端集成穩壓器進行穩壓后得到12V 直流電供電路使用。

圖1 交流電焊機二次側保護裝置主電路工作原理圖Fig.1 Attached diagram: The main circuit operation principle diagram of alternating current welding machine's two-side protection device

（B）是電焊機的變壓器，（H）是電焊機的焊鉗，（D）是電焊機的地線。（YD）是壓電晶體，作為振蕩器使用，是基于它的壓電效應。在晶體的兩個極上加一外力時，會使晶體產生機械變形和產生機械振動，同時機械變形振動又會產生交變電場，這種交變電場的電壓其振動頻率是十分穩定的。焊工在作好焊接準備后，輕敲焊鉗，產生的電壓被電焊機的變壓器升壓后，送到磁芯變壓器（B2）兩端。選擇合適的電容（C3-C4），便于和壓電晶體（YD）產生的頻率諧振，以獲得諧振電壓。電壓信號經磁芯變壓器（B2）升壓后，再經（R3）、（C5）濾波，得到開機信號。

（D5-D6）組成過電壓保護電路，（R5-R4）構成分壓電路，決定（IC1）電壓比較器的門限電壓。只有輸入信號大于電壓比較器的門限電壓時，（IC1）才能有輸出信號。（C6）用來濾掉（IC1）輸出端中的雜波信號。輸入信號經（R7）從同相端輸入，經（IC2）集成運算放大器放大后，直接供給（BG1）作進一步的放大。

開機信號放大后，直接加到單向可控硅（TCR）的觸發極上，（TCR） 導通。電流經R13、TCR、D7、R15 加到（BG3）的基極上，同時給電容（C8）充電，（BG3-BG4）功率放大電路開始工作。（LD1）黃燈亮，繼電器（J）導通，常開觸點（J2-J3）閉合，紅燈（L）亮，交流接觸器（QC）導通，電焊機變壓器（B）導通，此時焊機兩端電壓（HD）為工作電壓。此電壓較高，引弧時對銹蝕金屬產生擊穿作用，便于引弧，從而解決了引弧難的問題。

4 結束語

電焊機安裝二次保護裝置，既節電又安全，一直得到政府有關部門的大力支持。但目前使用的電焊機二次側保護裝置產品，還存在著一些技術上的難題，致使這些產品不能很好地推廣使用。而本研究的新型保護裝置采用壓電晶體等新技術，已很好地解決了引弧難等技術問題。此項焊機二次側新型保護裝置體積小、成本低、接線簡便，實用性強。

此樣機經多家單位現場使用后，效果良好，已具備了推廣使用的條件。

[1] 路金星.安全節能技術在交流電焊機上的應用[J]. 電氣時代，2004，8.

[2] 鄭國偉.電焊機維修問答[M].北京：機械工業出版社，2003

[3] 李雅軒.電力電子技術[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

[4] 路金星，陳國功.電焊機二次側防觸電保裝置[P].中國：ZL2004 20058773.7,2006.3.8.